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HINTERGRUND
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Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen unterirdische Bohrarbeiten und genauer gesagt die Messung der Wellendrehzahl.
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Kohlenwasserstoffe, wie etwa Erdöl und Gas, werden gewöhnlich aus unterirdischen Formationen erzielt, die sich an Land oder vor der Küste befinden können. Die Entwicklung von unterirdischen Arbeiten und die Arbeitsgänge, die mit dem Abtragen von Kohlenwasserstoffen aus einer unterirdischen Formation verbunden sind, sind komplex. Typischerweise bedingen unterirdische Arbeiten eine gewisse Anzahl von verschiedenen Schritten, wie beispielsweise das Bohren eines Bohrlochs an einer gewünschten Bohrungsstelle, das Bearbeiten des Bohrlochs, um die Förderung von Kohlenwasserstoffen zu optimieren, und das Ausführen der notwendigen Schritte, um die Kohlenwasserstoffe aus der unterirdischen Formation zu fördern und zu verarbeiten.
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Bei bestimmten Richtbohranwendungen wird ein Bohrlochsohlenmotor verwendet, um eine Drehung auf einen Bohrmeißel auszuüben, statt dass die Drehung von der Oberfläche aus auf einen ganzen Bohrstrang ausgeübt wird, wie bei herkömmlichen Bohrarbeiten. Es kann nützlich sein, Informationen über die Formation, in der gebohrt wird, und den Bohrvorgang selber zu erheben, während der Sohlenmotor eingeschaltet ist und bohrt. Derartige Informationen können verwendet werden, um den Fortschritt des Bohrvorgangs zu überwachen und Anpassungen für die erfolgreiche Fertigstellung des Vorgangs vorzunehmen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Einige spezifische Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind teilweise mit Bezug auf die nachstehende Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen verständlich. Es zeigen:
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1 ein Diagramm eines beispielhaften Bohrsystems gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
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2 ein Diagramm, das ein beispielhaftes Informationshandhabungssystem gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung abbildet.
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3 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Systems gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
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4A, 4B und 4C beispielhafte Ringkerne gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
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5 ein Ablaufschema eines beispielhaften Verfahrens gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
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Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung abgebildet und beschrieben wurden und mit Bezug auf Ausführungsbeispiele der Offenbarung definiert werden, bedeuten diese Bezugnahmen keine Einschränkung für die Offenbarung, und es ist keine derartige Einschränkung abzuleiten. Der offenbarte Gegenstand ist zu erheblichen Modifikationen, Änderungen und Äquivalenten in Form und Funktion fähig, wie es der Fachmann auf dem Gebiet, der über die vorliegende Offenbarung verfügt, verstehen wird. Die abgebildeten und beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind rein beispielhaft und nicht den Umfang der Offenbarung erschöpfend.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Zum Zweck der vorliegenden Offenbarung kann ein Informationshandhabungssystem beliebige Einrichtungen oder Einrichtungsgruppen umfassen, die betriebsfähig sind, um eine beliebige Form von Informationen, Wissen oder Daten für geschäftliche, wissenschaftliche, steuerungstechnische oder andere Zwecke zu berechnen, zu klassifizieren, zu verarbeiten, zu übertragen, zu empfangen, abzurufen, hervorzubringen, umzuschalten, zu speichern, anzuzeigen, darzubringen, zu detektieren, aufzuzeichnen, wiederzugeben, zu handhaben oder zu verwenden. Beispielsweise kann ein Informationshandhabungssystem ein PC, eine Netzwerkspeichervorrichtung oder eine beliebige andere geeignete Vorrichtung sein und kann in Größe, Gestalt, Leistung, Funktionalität und Preis variieren. Das Informationshandhabungssystem kann einen Arbeitsspeicher (RAM), eine oder mehrere Verarbeitungsressourcen, wie etwa eine Zentraleinheit (CPU) oder eine Hardware- oder Software-Steuerlogik, einen ROM und/oder andere Arten von nicht flüchtigem Speicher umfassen. Zusätzliche Komponenten des Informationshandhabungssystems können ein oder mehrere Laufwerke, einen oder mehrere Netzwerkanschlüsse zur Kommunikation mit externen Vorrichtungen sowie diverse Ein- und Ausgabe-(E/A)Vorrichtungen, wie etwa eine Tastatur, eine Maus und eine Videoanzeige, umfassen. Das Informationshandhabungssystem kann auch einen oder mehrere Busse umfassen, die betriebsfähig sind, um Kommunikationen zwischen den diversen Hardware-Komponenten zu übertragen. Es kann auch eine oder mehrere Schnittstelleneinheiten umfassen, die in der Lage ist bzw. sind, ein oder mehrere Signale an einen Controller, ein Stellglied oder eine ähnliche Vorrichtung zu übertragen.
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Zum Zweck der vorliegenden Offenbarung können computerlesbare Medien beliebige Einrichtungen oder Einrichtungsgruppen umfassen, die Daten und/oder Anweisungen über einen gewissen Zeitraum behalten können. Computerlesbare Medien können beispielsweise ohne Einschränkung Speichermedien, wie etwa eine Speichervorrichtung mit Direktzugriff (z. B. ein Festplattenlaufwerk oder ein Diskettenlaufwerk), eine Speichervorrichtung mit sequenziellem Zugriff (z. B. ein Bandlaufwerk), eine CD, eine CD-ROM, eine DVD, einen RAM, einen ROM, einen elektrisch löschbaren programmierbaren Festspeicher (EEPROM) und/oder einen Flash-Speicher; sowie Kommunikationsmedien, wie etwa Drähte, Lichtleitfasern, Mikrowellen, Funkwellen und andere elektromagnetische und/oder optische Träger; und/oder eine beliebige Kombination des Vorstehenden umfassen.
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Es werden hier erläuternde Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ausführlich beschrieben. Der Übersichtlichkeit halber kann es sein, dass in der vorliegenden Beschreibung nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Umsetzung beschrieben werden. Es versteht sich natürlich, dass bei der Entwicklung einer derartigen tatsächlichen Ausführungsform zahlreiche umsetzungsspezifische Entscheidungen getroffen werden, um die spezifischen Umsetzungsziele zu erreichen, die von einer Umsetzung zur anderen variieren. Des Weiteren versteht es sich, dass eine derartige Entwicklungsbemühung aufwendig und zeitraubend sein könnte, jedoch für den Fachmann, der über die vorliegende Offenbarung verfügt, ein routinemäßiges Unterfangen wäre.
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Um ein besseres Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen, werden die folgenden Beispiele bestimmter Ausführungsformen angegeben. Die folgenden Beispiele sind keineswegs als den Umfang der Offenbarung einschränkend oder definierend auszulegen. Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können auf waagerechte, senkrechte, umgelenkte oder anderweitig nicht lineare Bohrlöcher einer beliebigen Art von unterirdischer Formation anwendbar sein. Die Ausführungsformen können auf Injektionsbohrungen sowie auf Förderbohrungen, die Kohlenwasserstoff-Bohrungen umfassen, anwendbar sein. Die Ausführungsformen können unter Verwendung eines Werkzeugs umgesetzt werden, das zum Testen, Bergen und Probenehmen entlang den Abschnitten der Formation geeignet ausgebildet ist. Die Ausführungsformen können mit Werkzeugen umgesetzt werden, die beispielsweise über einen Durchgang in einem Röhrenstrang oder unter Verwendung einer Drahtleitung, einer Schlickleitung, eines Rohrwendels, eines Untertage-Roboters oder dergleichen transportiert werden können.
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Die Begriffe „koppeln” oder „koppelt”, wie sie hier verwendet werden, sind dazu gedacht, entweder eine indirekte oder eine direkte Verbindung zu bedeuten. Wenn somit eine erste Vorrichtung mit einer zweiten Vorrichtung gekoppelt ist, kann diese Verbindung über eine direkte Verbindung oder über eine indirekte mechanische oder elektrische Verbindung anhand von anderen Vorrichtungen und Verbindungen erfolgen. Ähnlich ist der Begriff „kommunikationsmäßig gekoppelt”, wie er hier verwendet wird, dazu gedacht, entweder eine direkte oder eine indirekte Kommunikationsverbindung zu bedeuten. Eine derartige Verbindung kann eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung sein, wie beispielsweise Ethernet oder LAN. Derartige drahtgebundene und drahtlose Verbindungen sind dem Fachmann wohlbekannt und werden deshalb hier nicht ausführlich besprochen. Wenn somit eine erste Vorrichtung mit einer zweiten Vorrichtung kommunikationsmäßig gekoppelt ist, kann diese Verbindung über eine direkte Verbindung oder über eine indirekte Kommunikationsverbindung anhand von anderen Vorrichtungen und Verbindungen erfolgen.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen unterirdische Bohrarbeiten und genauer gesagt das Stabilisieren eines Bohrmeißels, eines Bohrstrangs und/oder von Untertage-Werkzeugen gegenüber einer seitlichen Vibration und einem Haftgleiteffekt.
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1 ist ein Diagramm, das ein beispielhaftes Richtbohrsystem 100 gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung abbildet. Wie es hier verwendet wird, kann ein Richtbohrsystem ein unterirdisches Bohrsystem sein, bei dem mindestens eine von einer Neigung oder einer azimutalen Orientierung des Bohrmeißels bewusst umgelenkt wird, um ein Zielobjekt zu berühren, in dieses einzudringen oder es zu kreuzen. Beispielsweise können Richtbohrsysteme verwendet werden, um in eine unterirdische Lagerstätte einzudringen, um Kohlenwasserstoffe zu fördern. Richtbohrsysteme können auch verwendet werden, um einem existierenden Bohrloch innerhalb einer Formation zu folgen oder eine existierende Bohrlochpfeife zu kreuzen.
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Bei der gezeigten Ausführungsform umfasst das Richtbohrsystem 100 ein Gestell 101, das an der Oberfläche 102 über einer Formation 103 positioniert ist. Obwohl das Gestell 101 in 1 an Land gezeigt wird, kann das Gestell 101 auf See verwendet werden, wobei die Oberfläche 102 eine Bohrplattform umfasst. Das Gestell 101 kann mit einer Bohrbaugruppe 104 gekoppelt sein, die ein Bohrloch 105 in der Formation 103 bohrt. Die Bohrbaugruppe 104 kann einen Bohrstrang 106, eine Bohrlochgarnitur (BHA) 107 und einen Neigungsübergang 108 umfassen. Der Bohrstrang 106 kann eine Vielzahl von Röhren umfassen, die über Gewindeverbindungen miteinander gekoppelt sind. Die BHA 107 kann ein oder mehrere LWD- oder MWD-Systeme 109, ein Telemetriesystem 110, einen Sohlenmotor und Verkleidungsteile 111 und einen Bohrmeißel 112 umfassen. Der Neigungsübergang 108 kann ein Gelenk mit einem festgelegten oder variablen Winkel umfassen, das mindestens eine von der Neigung und der azimutalen Richtung der Bohrbaugruppe 104 allgemein und des Bohrmeißels 112 speziell steuert. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Neigungsübergang 108 in die BHA 107 integriert sein oder an einer anderen Stelle entlang dem Bohrstrang 106 positioniert sein. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Richtbohrsystem 100 einen Sohlenmotor umfassen, der ein Neigungsgehäuse anstelle des in 1 gezeigten getrennten Neigungsübergangs 108 umfasst.
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Das LWD/MWD-System 109 kann Untertage-Mess- oder Aufzeichnungsinstrumente umfassen, wozu Magnetometer, Beschleunigungsmesser, Antennen usw. gehören. Das Telemetriesystem 110 kann einen Kommunikationsweg zwischen dem LWD/MWD-System 109 und einem anderen Untertagesystem und der Oberflächensteuereinheit 113 bereitstellen. Beispielsweise kann das Telemetriesystem 110 einen Sohlenimpulsgeber umfassen, der mit der Oberflächensteuereinheit 113 über eine Reihe von Druckimpulsen im Bohrschlamm im Bohrloch 105 kommuniziert.
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Bei der gezeigten Ausführungsform kann die Oberflächensteuereinheit 113 ein Informationshandhabungssystem umfassen. Wie sie hier verwendet werden, können Informationshandhabungssysteme beliebige Einrichtungen oder Einrichtungsgruppen umfassen, die betriebsfähig sind, um eine beliebige Form von Informationen, Wissen oder Daten für geschäftliche, wissenschaftliche, steuerungstechnische oder andere Zwecke zu berechnen, zu klassifizieren, zu verarbeiten, zu übertragen, zu empfangen, abzurufen, hervorzubringen, umzuschalten, zu speichern, anzuzeigen, darzubringen, zu detektieren, aufzuzeichnen, wiederzugeben, zu handhaben oder zu verwenden. Beispielsweise kann ein Informationshandhabungssystem ein PC, eine Netzwerkspeichervorrichtung oder eine beliebige andere geeignete Vorrichtung sein und kann in Größe, Gestalt, Leistung, Funktionalität und Preis variieren. Das Informationshandhabungssystem kann einen Arbeitsspeicher (RAM), eine oder mehrere Verarbeitungsressourcen, wie etwa eine Zentraleinheit (CPU) oder eine Hardware- oder Software-Steuerlogik, einen Festspeicher (ROM) und/oder andere Arten von nicht flüchtigem Speicher umfassen. Zusätzliche Komponenten des Informationshandhabungssystems können ein oder mehrere Laufwerke, einen oder mehrere Netzwerkanschlüsse zur Kommunikation mit externen Vorrichtungen sowie diverse Ein- und Ausgabe-(E/A)Vorrichtungen, wie etwa eine Tastatur, eine Maus und eine Videoanzeige, umfassen. Das Informationshandhabungssystem kann auch einen oder mehrere Busse umfassen, die betriebsfähig sind, um Kommunikationen zwischen den diversen Hardware-Komponenten zu übertragen.
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Während der Bohrarbeiten kann der Bohrschlamm aus einer Lagerstätte 114 durch ein Rohr 115 in ein Loch 120 der Bohrbaugruppe 104 gepumpt werden. Nachdem er in das Loch 120 der Bohrbaugruppe 104 eingeführt wurde, kann der Bohrschlamm von der Oberfläche abfließen, wie mit dem Pfeil 117 gezeigt. Der Bohrschlamm kann die Bohrbaugruppe 104 durch Fluidanschlüsse innerhalb des Bohrmeißels 112 verlassen. Wenn der Bohrschlamm den Bohrmeißel 112 verlässt, kann er den Schneidbelag des Bohrmeißels 112 schmieren und abkühlen und Bohrklein von dem Bohrmeißel 112 an die Oberfläche 102 bringen. Wie mit dem Pfeil 118 gezeigt, kann der Bohrschlamm 115 innerhalb eines Ringraums 119 zwischen der Bohrbaugruppe 104 und der Wand des Bohrlochs 105 zur Oberfläche 102 fließen.
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Der Sohlenmotor und die Verkleidungsteile 111 können mindestens ein Element innerhalb des Flusses von Bohrfluid 117 umfassen, das Energie aus dem Fluss von Bohrfluid 117 in eine Drehbewegung umsetzt. Beispielsweise können der Sohlenmotor und die Verkleidungsteile 111 eine Turbine umfassen, die sich als Reaktion auf einen Fluidfluss dreht. Die Turbine kann eine Abtriebswelle antreiben, die direkt oder indirekt über Zahnradbaugruppen und andere Antriebselemente mit dem Bohrmeißel 112 gekoppelt sein kann. Wenn der Bohrschlamm in die Bohrbaugruppe 104 gepumpt wird, kann sich der Bohrmeißel 112 entsprechend drehen und in die Formation 103 einschneiden. Insbesondere kann durch die Drehung des Bohrmeißels 112 mit dem Sohlenmotor und den Verkleidungsteilen 111 statt mit dem Bohrstrang 106 die azimutale Orientierung des Neigungsübergangs 108 und des Bohrmeißels 112 im Wesentlichen konstant bleiben, während das Bohrloch 105 gebohrt wird. Wenn jedoch die Eindringtiefe der Bohrbaugruppe 104 gering ist, kann ein Teil des Bohrstrangs 106 zum Stillstand kommen, was bewirkt, dass zwischen dem Bohrstrang 106 und der Wand des Bohrlochs 105 Haftreibung entsteht. Diese Haftreibung muss überwunden werden, bevor der Bohrvorgang fortfahren kann.
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Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann die Haftreibung im Allgemeinen vermieden oder reduziert werden, indem der Bohrstrang 106 ununterbrochen gedreht wird. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Eingangsdrehmoment derart optimiert werden, dass es das minimale Eingangsdrehmoment ist, das benötigt wird, um den Bohrstrang 106 ununterbrochen zu drehen, ohne den Bohrmeißel 112 zu drehen, was seine azimutale Orientierung ändern würde. Das optimierte Drehmoment/ die optimierte Drehung kann alternativ in einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung ausgeübt werden, um eine im Wesentlichen ununterbrochene Drehung zu ermöglichen, ohne den Bohrmeißel zu drehen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das minimale Eingangsdrehmoment über einen Kraftdrehkopf 116, der mit dem Bohrstrang 106 gekoppelt ist, auf den Bohrstrang 106 ausgeübt werden. Der Kraftdrehkopf 116 kann mit der Oberflächensteuereinheit 113 gekoppelt sein und kann einen Motor umfassen, der ein Drehmoment auf den Bohrstrang 106 ausübt, das mindestens teilweise auf einem Befehlssignal, das von der Oberflächensteuereinheit 113 generiert wird, basiert. Beispielsweise kann der Kraftdrehkopf 116 einen Controller umfassen, der das Befehlssignal von der Oberflächensteuereinheit 113 empfängt und bewirkt, dass der Motor in dem Kraftdrehkopf 116 ein gewisses Drehmoment auf den Bohrstrang 106 ausübt. Bei anderen Ausführungsformen kann das Befehlssignal von der Oberflächensteuereinheit 113 den Motor direkt steuern. Bei anderen Ausführungsformen kann das Befehlssignal an einem Informationshandhabungssystem generiert werden, das in dem Kraftdrehkopf 106 integriert ist.
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2 ist ein Blockdiagramm, das ein beispielhaftes Informationshandhabungssystem 200 gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung abbildet. Das Informationshandhabungssystem 200 kann beispielsweise als Teil eines Steuersystems oder als eine Einheit für eine Bohrbaugruppe verwendet werden. Beispielsweise kann ein Bohrbediener mit dem Informationshandhabungssystem 200 interagieren, um Bohrparameter zu ändern oder Steuersignale an eine Bohrausrüstung ausgeben, die kommunikationsmäßig mit dem Informationshandhabungssystem 200 gekoppelt ist. Das Informationshandhabungssystem 200 kann einen Prozessor oder eine CPU 201 umfassen, der bzw. die kommunikationsmäßig mit einem Speicher-Controller-Hub oder einer North-Bridge 202 gekoppelt ist. Der Speicher-Controller-Hub 202 kann einen Speicher-Controller umfassen, um Informationen zu oder von diversen Systemspeicherkomponenten innerhalb des Informationshandhabungssystems, wie etwa dem RAM 203, dem Speicherelement 206 und der Festplatte 207, zu leiten. Der Speicher-Controller-Hub 202 kann mit dem RAM 203 und einer Grafikverarbeitungseinheit 204 gekoppelt sein. Der Speicher-Controller-Hub 202 kann auch mit einem E/A-Controller-Hub oder einer South-Bridge 205 gekoppelt sein. Der E/A-Hub 205 ist mit Speicherelementen des Computersystems gekoppelt, die ein Speicherelement 206 umfassen, das einen Flash-ROM umfassen kann, der ein BIOS („Basic Input/Output System”) des Computersystems umfasst. Der E/A-Hub 205 ist auch mit der Festplatte 207 des Computersystems gekoppelt. Der E/A-Hub 205 kann auch mit einem Super-E/A-Chip 208 gekoppelt sein, der wiederum mit mehreren der E/A-Anschlüsse des Computersystems gekoppelt ist, wozu die Tastatur 209 und die Maus 210 gehören. Das Informationshandhabungssystem 200 kann ferner kommunikationsmäßig mit einem oder mehreren Elementen einer Bohrbaugruppe über den Chip 208 gekoppelt sein.
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Die vorliegende Offenbarung stellt bei einigen Ausführungsformen Verfahren und Systeme zum Messen der Drehzahl eines Sohlenmotors und der Verkleidungsteile 111 basierend auf einer Anordnung eines Kopplungssatzes mit Ringkernen innerhalb des Bohrstrangs bereit.
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3 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Sohlenmotors und der Verkleidungsteile 111. Der beispielhafte Sohlenmotor und die Verkleidungsteile 111 umfassen einen oberen Abschnitt 305, einen unteren Abschnitt 315 und einen Leistungsabschnitt 310.
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Der Leistungsabschnitt 310 kann auch als Sohlenmotor bezeichnet werden und umfasst einen Sohlenmotorrotor. Beispielhafte Sohlenmotorrotoren weisen eine schraubenförmige äußere Metallstruktur auf, die in einem Gehäuse (z. B. dem Stator) eingeschlossen ist, das ebenfalls (innen) schraubenförmig ist, aber eine zusätzliche Verteilernocke aufweist. Wenn Schlamm am Gehäuse nach unten gegeben wird, bewirkt dies, dass sich der Rotor dreht und die Sohlenmotorwelle 335 dreht. Die Sohlenmotorwelle geht durch den unteren Abschnitt 315 und bis zum Bohrmeißel 112.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform befinden sich der Sohlenmotor und die Verkleidungsteile 111 innerhalb eines 6,75-Zoll-Abschnitts. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen umfasst der untere Abschnitt 310 einen oder mehrere Sensoren oder ist damit gekoppelt. Die beispielhaften Sensoren umfassen einen oder mehrere Gammastrahlsensoren 320. Die beispielhaften Umsetzungen umfassen vier Gammastrahlsensoren, die in verschiedenen Richtungen orientiert sind, um Gammastrahlen um den Sohlenmotor 111 herum zu erfassen. Andere beispielhafte Umsetzungen umfassen einen oder mehrere Neigungssensoren am Meißel 325, um die Neigung des Sohlenmotors und der Verkleidungsteile 111 oder des Meißels während der Bohrarbeiten zu bestimmen. Beispielhafte Neigungssensoren am Meißel 325 umfassen einen oder mehrere dreiachsige Beschleunigungsmesser. Andere beispielhafte Sensoren umfassen einen oder mehrere stark fokussierte Ultraschallsensoren zum Erzielen von akustischen Reflexionsbildern der Bohrlochwand, Elektroden zum Messen kleiner Variationen des spezifischen Widerstands um das Bohrloch herum, kleine Hochfrequenz-Antennen, die auf das lokale elektromagnetische Verhalten der Formation oder Felder, die als Ergebnis des Bohrprozesses generiert werden, ansprechen, stark fokussierte Kurzstrecken-Gamma- oder Röntgenstrahl-Streusensoren, schnelle chemische Sensoren und mikroelektromechanische Systeme (MEMS).
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Die Sohlenmotorwelle 335 geht durch den Ringkern 330 (im unteren Abschnitt 315). Jeder der Ringkerne 330 und 345 ist mit einer gewissen Anzahl von Drahtwindungen umwickelt. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen ist jeder der Ringkerne 330 und 345 mit der gleichen Anzahl von Drahtwindungen umwickelt. Die Ausführungsbeispiele verfügen über 125 Drahtwindungen auf den beiden Ringkernen 330 und 345. Andere Ausführungsbeispiele können eine größere oder kleine Anzahl von Drahtwindungen auf den Ringkernen 330 und 345 aufweisen. Die Ausgaben von einem oder mehreren der Sensoren, die sich in dem unteren Abschnitt 315 befinden oder damit gekoppelt sind, geben Signale an den Ringkern 330 aus. Der Ringkern 330 wiederum induziert ein Signal in dem Ringkern 345. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen wird das in dem Ringkern 345 induzierte Signal in einem oder mehreren Prozessoren entlang dem Bohrstrang verarbeitet. Bei anderen Ausführungsbeispielen wird das in dem Ringkern 345 induzierte Signal zur weiteren Analyse oder Verarbeitung an die Oberflächensteuereinheit 113 weitergeleitet.
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Die Ausführungsbeispiele der Ringkerne 330 und 345 weisen eine einheitliche Beabstandung der Drahtwindung auf den Ringkernen 330 und 345 auf. Andere Ausführungsbeispiele des vorliegenden Systems umfassen jedoch eine uneinheitliche Wicklung eines oder beider der Ringkerne 330 und 345. Bei diesen Ausführungsformen ist ein Magnet 340 auf der Sohlenmotorwelle 335 innerhalb oder in der Nähe des Ringkerns 330 montiert, so dass das Feld des Magneten 340 mit dem Feld des Ringkerns 330 gekoppelt wird und wiederum das Signal ändert, das durch den Ringkern 330 in dem Ringkern 345 auf eine Art und Weise induziert wird, welche die Drehzahl angibt. Beispielhafte Systeme führen demnach eine Signalverarbeitung aus, um die Änderung des Signals, das in dem Ringkern 345 durch ein Signal in dem Ringkern 330 induziert wird, zu ermitteln, um eine Drehzahl der Sohlenmotorwelle 335 zu bestimmen. Ausführungsbeispiele des Ringkerns 345 werden in 4A, 4B und 4C gezeigt.
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4C ist ein beispielhafter Ringkern 425, der mit 125 Drahtwicklungen umwickelt ist, die in drei Segmenten 430, 435 und 440 angeordnet sind, die gleichmäßig über den Ringkern 425 beabstandet sind. Falls sich ein Magnet innerhalb des Ringkerns 425 mit ungefähr 1100 Umdrehungen pro Minute (RPM) dreht, weist der beispielhafte Ringkern 425 eine Spitze-Spitze-Signalausgabe von ungefähr 150 mV mit einer Frequenz, die dreimal so groß wie die RPM des Magneten ist, auf. Eine beispielhafte Oberflächensteuereinheit 113 bestimmt die RPM der Sohlenmotorwelle 335 basierend auf der Frequenz des gemessenen Signals und ferner basierend auf der Konfiguration der Wicklungen des Ringkerns. In diesem Fall würde die Oberflächensteuereinheit 113 erkennen, dass jede Umdrehung der Sohlenmotorwelle 335 zu einem Signal mit der dreifachen Frequenz führt.
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4D ist ein beispielhafter Ringkern 445, der mit 125 Drahtwicklungen umwickelt ist, die in drei Segmenten 450, 460 und 465 bei 0 Grad, 60 Grad und 180 Grad angeordnet sind. Mit dieser Konfiguration kann das System sowohl eine Drehzahl als auch eine Drehrichtung bestimmen. Bei einer derartigen Konfiguration wäre die Zeit zwischen den Impulsen T, 2T und 3T für eine Umdrehung im Uhrzeigersinn oder 3T, 2T und T für eine Umdrehung im Gegenuhrzeigersinn. Die Ausführungsbeispiele der Oberflächensteuereinheit 113 umfassen ausführbare Anweisungen, um die Zeiteinstellung zwischen den Impulsen zusätzlich zur Zeiteinstellung der Impulse zu erkennen. Auf diese Art und Weise bestimmt die beispielhafte Oberflächensteuereinheit 113 sowohl eine Drehzahl der Sohlenmotorwelle 335 als auch eine Drehrichtung der Sohlenmotorwelle 335.
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Bei anderen Umsetzungen können drei oder mehrere Magneten auf der Sohlenmotorwelle 335 innerhalb des unteren Ringkerns 330 angeordnet werden. In diesem Fall weist der untere Ringkern 330 eine einzige Segmentwicklung auf, wie etwa die Wicklungen, die in 4A oder 4B gezeigt werden, um in der Lage zu sein, sowohl die Drehzahl als auch die Drehrichtung der Sohlenmotorwelle 335 zu ermitteln.
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4A zeigt einen beispielhaften Ringkern 405 mit einer Halbwicklungskonfiguration, bei dem das Segment 410 125 Drahtwindungen umfasst, die ungefähr um die Hälfte des Ringkerns 405 gewickelt sind. Bei den Ausführungsbeispielen kann der Ringkern 410 ungefähr 100 mV von Spitze zu Spitze ausgeben, wenn ein Magnet im Innern des Ringkerns 410 gedreht wird. Die Frequenz der Ausgabe des Ringkerns 405 ist gleich der Frequenz der Drehung des Magneten. Eine beispielhafte Oberflächensteuereinheit 113 bestimmt die RPM der Sohlenmotorwelle 335 basierend auf der Frequenz des gemessenen Signals und ferner basierend auf der Konfiguration der Wicklungen des Ringkerns. In diesem Fall würde die Oberflächensteuereinheit 113 erkennen, dass jede Umdrehung der Sohlenmotorwelle 335 zu einem Signal mit einer gleichen Frequenz führt.
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4B zeigt einen beispielhaften Ringkern 415 mit einer kleinen Segmentwicklung 420, die 125 Drahtwindungen um ein kleines Segment des Ringkerns 415 herum umfasst. Bei den Ausführungsbeispielen kann der Ringkern 420 ungefähr 200 mV von Spitze zu Spitze ausgeben, wenn ein Magnet im Innern des Ringkerns 420 gedreht wird. Die Frequenz der Ausgabe des Ringkerns 405 wird mit der Drehfrequenz des Magneten abgeglichen. Eine beispielhafte Oberflächensteuereinheit 113 bestimmt die RPM der Sohlenmotorwelle 335 basierend auf der Frequenz des gemessenen Signals und ferner basierend auf der Konfiguration der Wicklungen des Ringkerns. In diesem Fall würde die Oberflächensteuereinheit 113 erkennen, dass jede Umdrehung der Sohlenmotorwelle 335 zu einem Signal mit einer gleichen Frequenz führt. Die Ausführungsbeispiele können eine festere Wicklung von Segmenten umfassen, um die Spitze-Spitze-Spannung zu erhöhen, die durch jede Umdrehung der Sohlenmotorwelle 335 verursacht wird.
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Andere Ausführungsbeispiele umfassen einen Hall-Effekt-Schalter, der am Rand des Sohlenmotors 111 montiert ist. Wenn der Magnet 340 über den Hall-Effekt-Schalter geht, werden Impulse erzeugt, die man zählen kann, und die Frequenz der Impulse ist proportional zur Geschwindigkeit der Sohlenmotorwelle 335. Der Einsatz von zwei oder mehreren ungleichmäßig beabstandeten Hall-Effekt-Vorrichtungen kann verwendet werden, um sowohl die Drehzahl der Sohlenmotorwelle 335 als auch die Drehrichtung der Sohlenmotorwelle 335 zu ermitteln. Bei anderen Ausführungsformen ist eine lineare Hall-Effekt-Vorrichtung an einen Komparator angeschlossen. Bei noch anderen Ausführungsbeispielen wird anstelle des Hall-Effekt-Schalters eine Spule mit einer Achse radial zur Sohlenmotorwelle 335 verwendet. Die Ausführungsbeispiele umfassen Verstärkungsschaltungen und Komparatorschaltungen, die an die Spule angeschlossen sind.
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Andere beispielhafte Umsetzungen verfügen über einen Ringkern 345 (des oberen Abschnitts 305) um ein Drehelement herum mit einem oder mehreren Magneten in oder nahe dem Ringkern 345, so dass das Feld des Magneten mit dem Feld des Ringkerns 345 gekoppelt wird. Derartige Umsetzungen können drei oder mehrere Magnete innerhalb des Ringkerns 345 umfassen und ungleichmäßig verteilt sein, so dass sowohl die Drehzahl als auch die Drehrichtung des Drehelements innerhalb des Ringkerns 345 gemessen werden können. Bei bestimmten Ausführungsformen weist der obere Ringkern 345 eine einzige Segmentwicklung auf, wie etwa die Wicklungen, die in 4A oder 4B gezeigt werden, um in der Lage zu sein, sowohl die Drehzahl als auch die Drehrichtung der Sohlenmotorwelle 335 zu ermitteln.
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5 ist ein Ablaufschema eines beispielhaften Signalanalyseverfahrens zur Verwendung mit dem zuvor besprochenen Sohlenmotor und den Verkleidungsteilen 111. Die Oberflächensteuereinheit 113 empfängt Signale, die in dem Ringkern 345 aus dem Ringkern 330 induziert werden (Block 505). Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Oberflächensteuereinheit 113 ferner mit Informationen über die Spulenwicklungskonfiguration des Ringkerns 345 programmiert, beispielsweise mit der sich ergebenden Frequenz, die an dem Ringkern 345 für jede Umdrehung der Sohlenmotorwelle 335 ausgegeben wird. Die Oberflächensteuereinheit 113 bestimmt die Drehzahl der Sohlenmotorwelle 335 basierend auf den empfangenen Signalen von dem Ringkern 345 (Block 510). Bei einigen Umsetzungen bestimmt die Oberflächensteuereinheit 113 die Drehrichtung der Sohlenmotorwelle 335 basierend auf den empfangenen Signalen von dem Ringkern 345 (Block 515). Wie zuvor besprochen, werden uneinheitlich beabstandete Wicklungssegmente verwendet, um Signale zu erstellen, die sowohl eine Drehzahl als auch eine Drehrichtung angeben. Bei anderen Ausführungsformen können die uneinheitlich verteilten Magneten auf der Sohlenmotorwelle 335 auch verwendet werden, um sowohl die Drehzahl als auch die Drehrichtung zu ermitteln. Bei einigen Umsetzungen analysiert die Oberflächensteuereinheit 113 die Ausgabe eines oder mehrerer Sensoren, die an den Ringkern 345 ausgegeben werden. Bei einigen beispielhaften Umsetzungen analysiert die Oberflächensteuereinheit 113 die Ausgabe eines oder mehrerer Gammastrahlsensoren 320, um beispielsweise eine oder mehrere Formationseigenschaften zu bestimmen (Block 520). Bei anderen beispielhaften Umsetzungen analysiert die Oberflächensteuereinheit 113 die Ausgabe eines oder mehrerer Neigungssensoren am Meißel 325 (Block 525).
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Daher ist die vorliegende Offenbarung gut geeignet, um die erwähnten Zwecke und Vorteile sowie diejenigen, die damit einhergehen, zu erreichen. Die zuvor offenbarten bestimmten Ausführungsformen sind rein erläuternd, da die vorliegende Offenbarung geändert und auf andere aber gleichwertige Art und Weise, die für den Fachmann, der über die vorliegenden Lehren verfügt, ersichtlich ist, in die Praxis umgesetzt werden kann. Ferner sind keine anderen Einschränkungen als in den nachstehenden Ansprüchen beschrieben für die hier gezeigten Einzelheiten des Aufbaus oder der Gestaltung beabsichtigt. Es ist demnach offensichtlich, dass die zuvor offenbarten bestimmten erläuternden Ausführungsformen abgeändert oder modifiziert werden können, und alle diese Variationen werden als zu Umfang und Geist der vorliegenden Offenbarung gehörend angesehen. Auch haben die Begriffe in den Ansprüchen ihre einfache normale Bedeutung, soweit nicht ausdrücklich und deutlich vom Patentinhaber anderweitig definiert. Die unbestimmten Artikel „ein, eine, ein”, wie sie in den Ansprüchen verwendet werden, sind hier definiert, um eines oder mehr als eines der Elemente zu bedeuten, die sie einführen.
